文献阅读 | 中国耕地位移贡献60%的1990-2015年谷物运输碳排放增加量
题目
Cropland displacement contributed 60% of the increase in carbon emissions of grain transport in China over 1990–2015
作者
Chengchao Zuo, Cheng Wen, Graham Clarke, Andy Turner, Xinli Ke, Liangzhi You & Lanping Tang
期刊
Nature Food
时间
2023年1月
一作
单位
College of Public Administration, Huazhong Agricultural University, Wuhan, China
链接
https://doi.org/10.1038/s43016-023-00708-x
研究背景
粮食生产和运输约占人类社会总温室气体排放量的三分之一，和运输相关的排放占粮食供应链碳排放的11-20%。快速城镇化促使对谷物运输需求不断增加，这给实现碳减排目标带来了巨大的挑战。尽管将运输相关的碳排放嵌入到粮食供应链生命周期的分析中具有诸多优点，以往的研究通常过于简化运输过程，没有清晰的探索粮食的空间流、运输设施的发展和粮食生产-消费分布变化之间的关系。因此，这些研究在充分衡量土地使用变化对与运输有关的碳排放的影响和提供基于证据的缓解建议方面的能力相当有限。
本文主要研究1990-2015年中国粮食生产位移和粮食运输碳排放的增长。在过去的40年里，中国经历了快速的城市化。城镇人口从1979年的18495万人增加到2015年的79302万人，增长了四倍多；同时，由于城市扩张，大量原有耕地（3.31 x 104 km2）被占用。自2000年以来，中国实施了一系列耕地保护政策，以确保城市发展造成的耕地损失可以在人口密度较低的地区用新开垦的耕地来补充（即耕地位移）。这些政策总体上稳定了中国的耕地数量；然而，它们增加了核心消费地区的粮食生产位移。鉴于中国城市化和粮食生产位移的速度和强度，与粮食运输相关的碳排放被认为正在快速增长。目前，中国耕地位移、和运输相关碳排放问题已被分开研究，但很少有研究关注与谷物运输相关的碳排放和谷物生产位移的排放影响。因此，我们探讨与中国谷物运输相关的碳排放增加的性质和幅度。
研究结果
粮食生产与消费之间的距离不断扩大
1990年至2015年间，人口和耕地面积都没有增加多少（相对规模），但是他们的空间分布有很大的变化。如图1a所示，东南沿海地区人口大幅增长，而东北和中部地区人口则大幅减少。如图2b所示，同一时期内中国东北和西北地区的耕地显著扩张，而中国中部和东部地区的耕地显著萎缩。人口和耕地的空间转移扩大了粮食生产与消费之间的距离。全国耕地中心平均北移62.53 km，人口中心平均南移17.91 km。因此，1990-2015年全国平均耕地中心与人口中心之间的距离由260.41 km扩大到320.66 km。在县级水平上，平均人口中心与平均耕地中心之间的平均距离从10.89 km增加到12.59 km；覆盖全国80%人口的347个县中，有251个县（约72%）出现了人口与耕地分离的趋势。
图1. 中国谷物生产和消费的变化（1990-2015）
图2. 1990年和2015年中国谷物运输省际流
谷物运输空间流
省际谷物流通规模由8972万吨增长到26543万吨（含进口粮食）；整个国家，特别是东部和中部南部的省份更依赖进口粮食。粮食运输的总体格局由东向西转向北向南（图2）。1990年，东北省份是华北和西北地区的主要粮食供应省份，东部省份是华中和华南地区的主要粮食供应省份。2015年，内蒙古超过辽宁成为中国北方第三大粮食供应地，仅次于黑龙江和吉林。湖南和湖北作为华中地区主要粮食供应地的地位下降，河南成为中南地区最大的粮食供应地。中国东部省份（即浙江和江苏）从粮食净出口地区转变为粮食净进口地区。在中国大陆最南部的两个省份广东和广西，粮食自给率从近70%下降到不足40%。这些变化反映了这25年来中国粮食生产向北（和向海外）转移，运输距离不断扩大的事实。
铁路一直是西南地区供应粮食的最关键的运输方式，来自东北地区的粮食在铁路运输粮食的市场份额中占主导地位（图3）。由于自21世纪初以来西北铁路网络的发展，新疆出口的粮食是1990年至2015年间铁路粮食运输最显著的变化之一。东北、华东地区向华东、中南地区的粮食运输主要使用水路运输。广东省是1990年水路粮食运输的第一大目的地（占水路粮食运输总量的12%）。而在2015年，这一位置被浙江省占据（占比23%）。各区域内短途运输以公路运输为主。1990年区域间公路粮食运输规模较小；然而，由于粮食生产和消费之间的距离越来越远，2015年这种情况变得更加普遍。
图3. 1990年和2015年粮食运输方式跨省流动情况
谷物运输相关的碳排放
中国与粮食运输相关的碳排放量从1990年的564万吨增加到2015年的1775万吨，增长了两倍多。最具影响力的贡献者是进口粮食的海运，从85万吨增加到877万吨，增长了近10倍。在国内运输方面，最大的贡献者是通过铁路运输的粮食，从131万吨增加到377万吨，增加了2.86倍。公路运输碳排放量从260万吨增加到499万吨，几乎翻了一番。内陆和沿海航道碳排放量占比最小，从88万吨增长到99万吨（图4a）。
从粮食消费结构看，1990年至2015年，运输主粮碳排放量增长32%（从341万吨增加到451万吨），远低于运输动物饲料粮（373.86%）和工业及其他用途粮（978.82%）。在1990年至2015年期间，甘肃省是中国32个省（市）中唯一一个粮食运输碳排放减少的省份（图4c中绿色区域）。与粮食运输相关的碳排放增加量在南部和东部普遍高于北部和西部。
1990-2015年，国内外粮食生产置换贡献了788万吨，占中国碳排放增量的67.11%。粮食消费结构变化和人口增长分别贡献了287万吨（24.44%）和119万吨（10.10%）。然而，交通基础设施的发展，如西部新建的公路和铁路，帮助减少了32万吨与粮食运输相关的碳排放，相当于与人口增长相关的增量的近三分之一（图5a）。
在省级层面，在31个省市中，有24个省市的粮食生产位移对粮食运输相关碳排放的增加贡献最大（图5b中米色区域）。粮食消费结构的变化主要推动了五个省份（图5b中橙色区域）运输相关碳排放的增加。粮食消费结构的变化主要推动了五个省份（图5b中橙色区域）运输相关碳排放的增加。这些省份肉类产量的增加导致了饲料谷物需求的大幅增长，从而大大增加了与粮食运输相关的碳排放。宁夏（图5b中红色区域）的人口增长是粮食运输相关碳排放增加的主要驱动因素，而甘肃（图5b中绿色区域）的交通基础设施发展（例如，中国西北和西南地区的公路和铁路网）是1990-2015年期间导致粮食运输相关碳排放减少的主要原因。
在国家层面，工业和其他用途的粮食运输相关碳强度最高，从1990年的12.20 kgCO2e /吨增长到2015年的25.28 kgCO2e /吨。同时，运输主要谷物和动物饲料谷物的碳强度也分别从12.12 kgCO2e /吨和12.75 kgCO2e /吨增加到24.70 kgCO2e /吨和19.97 kgCO2e /吨。除青藏高原的西藏省和青海省粮食生产环境恶劣、交通基础设施相对较差外，南部和东部沿海地区的粮食消费的运输相关碳强度高于中国其他地区（图6a）。在供给侧，中国北方地府生产的粮食运输相关碳强度估计普遍高于南方（图6b）。
图4. 谷物运输的碳排放变化
图5. 碳排放增加的驱动因素
图6. 运输相关的碳强度
讨论与研究结论
在这项研究中，我们发现中国72%的县的人口中心和养活他们的农田中心之间的距离变得更大。1990-2015年，全国粮食平均生产中心与消费中心之间的距离增加了150.39公里。进口粮食需求的快速增长，进一步增加了中国粮食消费的总运输距离。因此，在这25年里，粮食运输的碳排放总量增加了两倍多。
确保不断增长的人口的粮食供应一直是中国面临的长期挑战。为了保持自给自足，中国在快速大规模城市化的巨大压力下，努力保持耕地总量。其中一个后果是耕地和粮食生产位移，这在1990年至2015年期间，贡献了粮食运输碳排放增加量的60%以上。在此基础上，本文提出了减少如下中国粮食运输碳排放的政策建议。
首先，我们发现中国人口密度最高的东部和南部沿海地区几乎拥有最高的粮食消费运输相关碳强度，而粮食产量最高的地区拥有最高的粮食供应运输相关碳强度。相比之下，华中地区（如湖北和河南）无论是供给侧还是消费侧，运输相关碳强度都相对较低；然而，1990-2015年中部地区粮食产量和人口占全国的比例都有所下降。因此，我们建议，鼓励和促进中部地区发展为人口密度较高的粮食生产中心或经济中心，有助于减少总增益运输距离和相关的碳排放。
其次，我们的模型结果表明，1990-2015年期间，粮食消费结构的变化对中国粮食运输碳排放增长的贡献为24.44%。虽然中国粮食消费结构变化对环境的影响并不是一个新话题，但我们从不同角度对其对粮食消费和运输的影响提供了新的见解。我们的研究结果表明，用于饲养动物和工业及其他用途的粮食消费快速增长，伴随着与运输相关的碳强度不断上升，这表明现代中国消费了更多的肉类和谷物类零食。考虑到肉类、零食和酒精饮料的附加值通常比主粮高得多，我们建议为粮食生产价值链下游的高附加值商品建立一个更加本地化的供应链，既有利于当地经济，也有助于减少与粮食运输相关的碳排放。这与一些西方国家的“本地食品”运动相呼应。
第三，交通运输基础设施的改善，特别是西部铁路网的发展，抵消了部分由粮食生产位移、消费结构变化和人口增长带来的粮食运输碳排放增加。由于铁路和水路运输每吨公里的碳排放量远低于公路运输，我们建议进一步提高铁路和水路运输能力对于减轻粮食运输排放上升的压力很重要。此外，由于2015年国内粮食运输碳密集型道路运输贡献了近50%的排放，其在长途粮食运输中的市场份额在1990年至2015年期间不断增加，我们还认为，清洁能源和电动高毛重汽车的技术发展将在未来减少粮食运输相关排放中发挥重要作用。
最后，我们的模型结果表明，进口粮食的海上运输贡献了粮食运输碳排放的大部分。中国对粮食进口的巨大需求在国内引发了对国家食品安全的担忧，在国际上引发了对粮食出口国相关环境影响的争议。本研究从运输相关碳排放的角度为粮食进口影响提供了新的视角。然而，我们要警惕一个看似诱人的结论，即粮食进口应该由国内生产取代，因为中国国内粮食产量的大幅增加可能：（1）考虑到中国的土地、水和生态系统的能力，根本不可能；（2）对内河运输量和碳排放强度的要求远高于海运；（3）导致进一步的耕地位移，进而增加与运输相关的碳排放总量。未来的研究需要全面系统地考察中国以及相关粮食出口国的粮食供应链环境影响，从全球视角提出缓解建议。
粮食生产位移不是中国独有的现象，而是世界许多国家普遍存在的问题。在土地使用和农业决策实践中，需要更好地考虑到粮食生产位移对环境的负面影响。本文提出了一个系统的粮食运输碳排放评估框架，并识别了粮食生产位移等因素对碳排放的影响。尽管在建模过程中采用了一些简化的假设，但我们对增加的食物-英里（吨-公里）和相关碳排放的估计结果通过了鲁棒模型校准和基于蒙特卡洛模拟的敏感性分析的验证。在更广泛的背景下，我们的研究结果有助于更好地理解食品供应链中的生命周期环境影响。本研究提出的方法适用于涉及跨区域生产和消费的广泛其他商品，无论是在中国还是在其他国家。
编辑&排版：任明
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